Кибернетическая картина мира. Есть многое на свете, друг Горацио, что недоступно нашим
 Скачать 14.04 Mb.
|
|
4.2.3. экспериментальная реализация вычислительных систем для динамических параллельных вычислений Ниже рассматриваются экспериментальные образцы, разрабо- танные с 1974 г. Микропроцессорная рекурсивная вычислительная машина (1979 г.). 222 Первой экспериментальной параллельной вС на микропроцес- сорных СБИС был экспериментальный четырехпроцессорный об- разец рекурсивной эвМ (РвМ). экспериментальный образец РвМ включал 2 вычислительных модуля, один коммуникационный модуль и интерфейсный модуль (процессор ввода-вывода) (рис. 4.2). Построенный на секционных микропроцессорах, он показал принципиальную возможность соз- дания модульных параллельных вС с распределенной архитекту- рой, с организацией распределенных параллельных вычислений и при их эффективной поддержке в архитектуре, и структуре мо- дулей параллельных вС – вычислительных модулей, реализовы- вавших собственно вычисления и новые механизмы децентрали- зованного управления, коммуникационных модулей, аппаратно- микропрограммно реализовывавших функции и протоколы комму- никационной системы для взаимодействия параллельных процес- сов, идущих в вычислительных модулях. операторы внутреннего языка РвМ – языка высокого уровня – соответствовали средне- гранулярным, микропрограммно реализованным процессам обра- ботки информации. Управляющие операторы внутреннего языка реализовывали основные механизмы управления параллельными вычислениями на уровне сети таких операторов. Модульная масштабируемая параллельная микропроцессорная вС «Система 3М» (1982–1985 гг.). По результатам испытаний экспериментального образца микро- процессорной вС были организованы работы по разработке и созда- нию высокопроизводительных параллельных эвМ – рекурсивных. Работы проводились в сотрудничестве ИК и ЛИАП, с привлечением ряда промышленных организаций. в ИК создана большая макро- Рис. 4.2. Структура ячейки экспериментального образца микропроцессорной РВМ: НГМД – накопитель на гибком магнитном диске; ИМ, КМ, ВМ – интерфейсный, коммуникационный и вычислительный модули соответственно 223 конвейерная вС класса mainframe для вычислений большой раз- рядности (64–128 разрядов), с перспективами масштабирования на уровень суперкомпьютерных вС. в ЛИАП разработана модульная масштабируемая параллельная вС «Система 3М» на микропроцес- сорной элементной базе для решения задач с разрядностью 16–32 разряда. обе параллельные вС воплощали совместно разработанный ком- плекс подходов к организации параллельных вС с распределенной архитектурой, обменом сообщениями с коммутацией пакетов по высокоскоростным каналам внутрисистемной связи, децентрали- зованным управлением вычислительным процессом. это позволи- ло применить ряд разработанных нами подходов к асинхронному управлению параллельными вычислениями и в разработке про- граммной организации макроконвейерной эвМ. в то же время каж- дый проект характеризовался своими оригинальными архитектур- ными и структурными решениями в организации параллельной вС и ее модулей, их системном программном обеспечении. в проекте «Система 3М» большое внимание уделялось модульно- сти и масштабируемости системы. общая структура проекта «Систе- ма 3М» приведена на рис. 4.3. Структура разработанной параллель- ной вС включала 32 вМ и 16 КМ. Модульная структура с рекурсив- но определяемой топологией связи обеспечивала масштабирование параллельной вС путем увеличения числа модулей при сохранении как структуры модулей, так и системного и прикладного По. Рис. 4.3. Проект 32-процессорной микропроцессорной параллельной ВС «Система 3М» 224 Поддержка свойства масштабируемости в системных меха- низмах распределенной операционной системы (оС) и КМ позво- ляет создавать на типовых узлах ограниченной номенклатуры программно-совместимые параллельные вС с широким диапазо- Рис. 4.4. Структура (а) и общий вид (б) экспериментального образца параллельной ВС «Система 3М» (ЛИАП, 1982–1985) б) а) 225 ном характеристик по производительности, объему памяти и про- пускной способности ввода-вывода (использовалось 3 типа моду- лей – вМ, КМ и ИМ). Был создан экспериментальный образец «Системы 3М» (рис. 4.4, а, б) разработано его системное По, проведен большой комплекс ис- следований и экспериментов по решению на нем прикладных задач различного класса. Параллельная ВС на базе микроэВМ «электроника 81Б» (1986–1988 гг.). Развитие микропроцессорной техники, создание все более мощ- ных микропроцессоров и достаточно производительных микропро- цессорных узлов на их основе, освоение их серийного производства и применение для широкого круга задач поставили вопрос о созда- нии параллельных вС на основе серийно выпускаемых микропро- цессорных модулей, в том числе для систем специального назначе- ния. При реализациях параллельных вС на готовых микропро- цессорных узлах (лет через десять этот подход получил название COTS – Commercial Of The Shelf) функциям и свойствам вМ уровня логической структуры на уровне физической структуры наиболее полно соответствует пара вМ – ТКМ (терминальный коммуникаци- онный модуль). эта комбинация дает основу для реализации пол- ного набо ра функций вМ. ТКМ в таких системах подключается на системную (локальную) шину серийного микропроцессорного узла (Q-bus, VME, PCI) и занимает место коммуникационного контрол- лера (КК). Параллельная вС такого класса была разработана нами на осно- ве микроэвМ «электроника 81Б», пригодных и для возимых, и для бортовых применений. На стандартную системную шину (Q-bus) в качестве КК подключается специальная, относительно неслож- ная плата, реализующая высокоскоростной дуплексный внутри- системный интерфейс параллельной вС (рис. 4.5). Учитывая огра- ниченный диапазон масштабируемости для разрабатывавшихся параллельных вС, а также целевые области применения, в данном проекте параллельной вС (название РМвС – распределенная муль- типроцессорная вС), была принята линия на перенос сложности ре- ализации внутрисистемных протоколов с КК вМ на КМ. для РМвС в качестве КМ был использован транспьютерный модуль РТ841. Аппаратно-микропрограммная реализация внутрисистемных про- токолов нижнего уровня, доступный микропрограммный уровень 226 и специализированные на логическую обработку параллельные блоки, при достаточно высокой тактовой частоте, позволили сба- лансировать характеристики коммуникационной системы на базе такого ТКМ с максимальной пропускной способностью, которую могут обеспечить вМ на базе «электроника 81Б», в конфигурациях до 8 вМ. Большие конфигурации (до 18 вМ) комплексируются с ис- пользованием трех КМ, объединенных в полносвязанную структу- ру, где удельная пропускная способность (ПС) (пропускная способ- ность на один вМ) остается в том же диапазоне, что и для базовой мультипроцессорной конфигурации с одним вМ. для созданного в ЛИАП экспериментального образца РМвС (конфигурация с 8 вМ и 1 КМ) была разработана распределенная оС, система программи- рования на языке Си, система отладки с распределенным отладоч- ным монитором (РоМ) [52, 53]. операционная система РМвС по- служила прообразом разработанной в 90-х гг. операционной систе- мы НевоС. опыт создания системы параллельного программирова- ния для РМвС, ее применения для программирования достаточно больших программных комплексов послужили отправной точкой для постановки работ по системам визуального параллельного про- граммирования, создания в последующие годы языка и системы программирования вИзА. Параллельные ВС и проекты отечественных микропроцессоров архитектуры периода 1989–1992 гг. Рис. 4.5. Параллельная ВС на базе серийных микроЭВМ «Электроника 81Б» (Э81Б – микроЭВМ «Электроника 81Б») 227 другая линия развития параллельных вС, объединяющая раз- работку специальной структуры вМ с использованием в качестве его ядра СБИС микропроцессора с фиксированной системой ко- манд, была проработана для отечественных проектов 32-разряд- ных микропроцессоров новой архитектуры, разрабатывавшихся в конце 80 – начале 90-х гг. в качестве ядра вМ были рассмотрены (совместно с НПо «элас», зеленоград) микропроцессор «Салют», разрабатывавшийся для бортовых вычислительных комплексов (вК) перспективных космических аппаратов, и микропроцессор «эль-90» – реализация архитектуры «эльбрус» (совместно с ИТ- МивТ). И в том, и в другом микропроцессорном наборе имелись возможности интеграции в структуру ядра вМ специализирован- ного КК и расширения базовой системы команд некоторой формой экстракодов. Структура вМ на базе микропроцессора «Салют» при- ведена на рис. 4.6. Учитывая вариант включения функций ТКМ в перечень прямо аппаратно-программно реализуемых в вМ функций (с исключени- ем ТКМ как самостоятель ного компонента физической структу- ры) и, в духе транспьютерных технологий, можно считать такое «поглощение» ТКМ вМ наиболее перспективным вариантом. это позволило погрузить в архитектуру вМ КК для внутрисистемных коммуникаций в параллельной вС, реализовать алгоритмы КС с высокой эффективностью. Рис. 4.6. Структура ВМ на базе микропроцессора «Салют» 228 Параллельные ВС на транспьютерных технологиях (1992– 1994 гг.) Развитие в мире транспьютерных технологий определило инте- рес отечественной промышленности к этому классу вС и направле- ние ряда наших проектов в области параллельных вС. Проведенные исследования и эксперименты с транспьютерными модулями на основе транспьютеров Т805 показали преимущества глубокой инте- грации механизмов управления процессами, мультипрограммного режима работы транспьютера как компонента параллельной вС с распределенной архитектурой. в то же время были видны и преи- мущества наших подходов с инкапсулированием последовательных программ внутри процессов – целостных компонентов параллель- ной схемы программы, с более высоким уровнем сервиса коммуни- кационной системы (КС) и используемых в ней протоколов, разви- тых средств сегментации и управления памятью в архитектуре вМ. выводы наших исследований были подтверждены и практикой раз- вития самих транспьютерных технологий, появлением нового по- коления транспьютеров – Т9000. Т9000 развивал транспьютерные архитектуры именно в тех направлениях, которые указывались нами как ограничения семейства Т800, которые отличали наши ар- хитектурные и структурные решения в указанных выше проектах. Хотя и в Т9000 мы не увидели полного набора искомых функцио- нальных возможностей для системной поддержки динамических параллельных вычислений в параллельных вС с распределенной архитектурой, в целом они давали хорошую основу для построения параллельных вС. Недостающие механизмы реализовывались на них программно, в ядре оС, с приемлемой эффективностью. Был разработан проект параллельной вС на транспьютерах для бортовых комплексов бортового оборудования перспективных са- молетов (рис. 4.7). Кластерная вС на серийных высокопроизводительных систем- ных блоках и сетевых средствах. Разработан проект высокопроизводительной кластерной вС, с масштабируемой конфигурацией, полностью на серийных тех- нических средствах: системных блоках ПэвМ, серийных сетевых контроллерах и коммутаторах, с диапазоном производительности от 10 до 100 Гфлоп, при стоимости порядка 0,3$ за 1 Мфлоп (300$ за 1 Гфлоп) (оценки по техническим характеристикам микропро- цессоров на июнь 2001 г.). На рис. 4.8 и 4.9 представлены структу- ры 8- и 36-процессорных конфигураций кластерной вС. 229 Рис. 4.7. Структура макета транспьютерной ВС на серийных транспьютерных модулях («гипертрамах») 230 Разработка параллельных кластерных вС лежит в русле основ- ных современных тенденций создания высокопроизводительных средств вычислительной техники (СвТ) широкого применения для решения современных сложных нерегулярных вычислительных задач [26]. С другой стороны, для нас это возврат, на новом эта- пе, к созданию параллельных вС на основе серийно выпускаемых блоков вычислительной техники, который был нами апробирован в параллельной вС на микроэвМ «электроника 81Б». однако отличие проекта кластерных вС в том, что он строится с ориентацией на создание СвТ широкого применения, где, кро- ме показателя абсолютной производительности вС, важное зна- чение имеют технико-экономические характеристики, удельная стоимость достигаемой производительности. это определяет от- личия в подходах к проектированию кластерной вС, ориентацию на максимальное использование серийных (за счет этого – деше- вых) технических средств для реализации физического уровня параллельной вС. Если в проекте параллельной вС готовыми компонентами были микроэвМ – основа вМ параллельной вС, а средства реализации коммуникационной системы были спе- циально разработаны, то настоящий проект кластерной вС ис- пользует готовые технические средства и в качестве основы по- строения КС. Средства реализации КС составляют существенную часть затрат на посторонние кластерные вС. (Например, Томас Стерлинг оценивает приемлемый уровень расходов на КС кла- стерной системы в 25–30% от всех расходов на аппаратуру кла- стерной вС [27].) Рис. 4.8. Структура кластерной ВС на серийных системных блоках и сетевых средствах 231 Рис. 4.9. 36-процессорная кластерная ВС 232 Такой подход в данном нашем проекте стал возможен благода- ря существенным сдвигам в развитии архитектуры и структуры сетевых средств, методов их взаимодействия с эвМ, которые ста- ли реальностью со времени создания параллельной вС. выросли технико-экономические характеристики средств локальных сетей массового применения. Сетевые контроллеры Fast Ethernet для шины PCI стали массовой продукцией по цене 15–35$, стоимость сетевых контроллеров Gigabit Ethernet из диапазона тысячи долла- ров перешла в диапазон сотни долларов. в сетевых средствах массового производства произошел переход от моноканальных архитектур с использованием физической или логической шины (концентраторов) к архитектурам с коммутаци- ей кадров. замена моноканала на коммутатор с масштабируемой структурой позволяет масштабировать пропускную способность КС с ростом числа абонентов – вМ, иметь низкие значения задержек передачи сообщений L и сохранять их при росте числа вМ в кла- стерной вС. Кроме того, построенная на коммутаторах структура локальной вС (а в кластерной вС – ее КС) переводит все связи между узла- ми физической структуры параллельной вС в категорию каналов «точка-точка» как на физическом, так и на канальном уровне. это позволило во многих серийно выпускаемых сетевых блоках перей- ти на дуплексный режим работы канала подключения КК в вМ к сетевой инфраструктуре, что дает почти двойное увеличение про- пускной способности стыка вМ с КС. другая оборотная сторона применения серийных средств ло- кальных сетей для КС – ограниченная масштабируемость кла- стерных вС на серийных технических средствах (в данном контек- сте – сетевых средствах). для малых конфигураций кластерных вС (например, с одним коммутатором средней стоимости) удель- ная пропускная способность КС на одного абонента, показатели L, o, g будут определяться тем, что позволяют получить исполь- зуемые технические средства вМ, узла параллельной кластерной вС – сетевого контроллера, системного блока. Наращивание кон- фигурации в пределах, определяемых заложенными в серийный коммутатор возможностями наращивания (stackable switches) и комплексирования с другими коммутаторами по каналам по- вышенной пропускной способности (например, каналов Gigabit Ethernet для коммутаторов FastEthernet), позволяет не ухудшать эти показатели при масштабировании системы. Так, удельные 233 показатели КС 36-процессорной конфигурации кластерной вС, будут практически такими же, как и для 8-процессорной конфи- гурации. Конечно, можно поставить и тысячу, и десять тысяч системных блоков ПэвМ и соединить их некоторой структурой КС с сетью из коммутаторов и кабелей между ними. в мире известны пара десят- ков кластерных вС с числом процессоров больше тысячи. однако для каждого из имеющегося на рынке набора серийных сетевых блоков будут свои ограничения на возможность масштабирования структуры сети с сохранением удельной пропускной способности на одного абонента КС. дальнейшее увеличение числа абонентов сети ведет к уменьшению пропускной способности КС в расчете на одного абонента, к росту показателей L, o, g, критичных для функционирования параллельной вС. И такая кластерная вС бу- дет работоспособна, и она сможет решать задачи. однако, как мы показывали в гл. 3, на все большем числе задач будут расти потери ресурса процессорного времени и падать эффективная производи- тельность. эти факторы и приводят к тому, что эффективная про- изводительность кластерных вС (real applications performance – RAP) оценивается как 5–15% от их пиковой производительности (peak advertised performance – PAP) [60]. для сравнения, у лучше сбалансированных профессиональных высокопроизводительных вК – малопроцессорных вК из векторных процессоров, это соотно- шение оценивается как 30–50%. Наконец, большое значение имеет появление поддержки архи- тектуры виртуального интерфейса (Virtual Interface Architecture – VIA) в архитектуре КК и сопровождающих их драйверах для се- рийных оС (в нашем случае – для оС Linux). Качественно новый уровень организации взаимодействия По, выполняющегося на центральном процессоре вМ, с КК позволяет существенно снизить накладные расходы o и задержки передачи сообщений L. Так, на- пример, накладные расходы o удается сократить до 4 мкс [60]. в на- шей кластерной вС мы используем сетевые контроллеры типа Intel Pro 10/100 с драйверами M-VIA для оС Linux 6.2. Еще лучшие характеристики можно получать при использова- нии коммуникационной среды, построенной по технологии АТМ [60]. для этой технологии также серийно выпускаются и КК, и коммутаторы. однако современный рынок СвТ сложился таким об- разом, что сетевые средства по технологии АТМ не получили столь массового распространения, как технологии Ethernet. 234 4.3. технологии защиты информации задача защиты информации от комплекса естественных и искус- ственных помех не только остается актуальной при организации пере- дачи информации в сетях интегрального обслуживания, но и приобре- тает все большее значение в связи с повышением требований к уровню криптостойкости таких сетей. При этом развитие современных откры- тых сетей передачи информации (сетей общего пользования) привело к появлению разнообразных задач, ранее в криптографии не рассма- тривавшихся. в частности, при разработке систем информационной безопасности для распределенных вС реального времени, сенсорных сетей, сетей мобильной связи, в ряде других сетевых приложений стоимостные, энергетические или габаритные требования диктуют необходимость выполнения ограничений на память и/или быстро- действие используемых процессоров. Между тем стандартизованные алгоритмы аутентификации и распределения ключей основаны на вычислительно трудоемких алгоритмах, что делает проблематичным их использование в указанных приложениях. одним из актуальных направлений прикладной криптографии в настоящее время является разработка систем информационной безопасности, ориентированных на использование в устройствах с ограниченными вычислительными и энергетическими ресурсами. в 2003–2006 гг. в ГУАП проводились работы по созданию без- опасных сетевых технологий и внедрению их в международные стандарты связи. основные полученные результаты. 1. Разработаны алгоритмы распределения ключей в децентра- лизованных сетях. Алгоритмы ориентированы на реализацию с по- мощью устройств малой вычислительной мощности. 2. Разработан метод защиты информации на физическом уров- не, позволяющий осуществлять совместную защиту информации от ошибок в канале связи и от несанкционированного доступа. 3. Предложены схемы безопасной агрегации информации, ко- торые позволяют организовать безопасный обмен информацией без увеличения избыточности. 4. внесены предложения по обеспечению безопасности инфор- мации в международные стандарты передачи информации IEEE 802.11i,802.11s, 802.11w. важным результатом работ в области безопасных информацион- ных технологий стало создание в ГУАП совместной с корпорацией «Самсунг» лаборатории в области защиты сетевой информации. 235 4.4. технологии системы-на-кристале Развитие технологий производства интегральных схем за по- следнее десятилетие привело к радикальным изменениям в техни- ке и технологии создания систем на их основе. Современные инте- гральные схемы могут содержать сотни миллионов транзисторов. в проектных нормах промышленные интегральные технологии в последние годы преодолели барьер в 100 нм (0,1 мкм) и вторглись в область нанотехнологий (1–100 нм). в прогнозируемых на следу- ющий год промышленных технологиях с проектной нормой в 45 нм кристаллы СБИС будут содержать уже порядка 10 млрд транзи- сторов на кристалле. Прогнозы промышленности показывают как минимум на 10 лет вперед и дальнейший рост степени интеграции по известному закону Мура – удвоение числа транзисторов на кри- сталле каждые 1,5–2 года. Столь радикальные количественные изменения приводят к ка- чественным изменениям в технике и технологии создания систем обработки, передачи информации и управления с использовани- ем интегральных технологий. Стирается грань между понятиями «элементная база», «прибор», «система». Растет доля проектов си- стем, ориентированных на построение систем-на-кристалле, (СнК, Systems-on-Chip – SoC). Мировой рынок электронной компонент- ной базы (эКБ) класса систем-на-кристалле оценивается в 30 млрд дол. к 2010 г. Системы-на-кристалле второго поколения определяются как од- нокристальные многофункциональные устройства, с несколькими процессорными ядрами внутри, которые управляют различными функциональными подсистемами со встроенным системным и при- кладным По (firmware), реализующие законченное решение целе- вой задачи. в ГУАП в 2003–2006 гг. велись работы в области СнК. основные полученные результаты. 1. Предложена формальная модель параллельных вычислений в неоднородных многоядерных СнК класса «сети-на-кристалле» (Network-on-Chip – NoC), на основе которой разработан ряд строгих и эвристических алгоритмов размещения процессов среднеграну- лярных параллельных программ на процессорные ядра неоднород- ных многоядерных СнК. 2. Разработана формальная модель соединений для системного уровня проектирования (System Level Design) СнК, на основе кото- рой предложены методики оптимизации топологии связей между 236 процессорными узлами и размещения ядер в структуре многоядер- ных СнК с учетом энергопотребления. 3. Разработаны методы и алгоритмы встроенной автоконфигу- рации многоядерных СнК с обменом сообщениями, базирующиеся на децентрализованном тестировании и коллегиальном принятии решений об исправности вычислительных узлов СнК, позволяю- щие автоматически исключать неисправные узлы и формировать исправную конфигурацию при включении СнК. Исследования в области кибернетики-информатики в ЛИАП- ГУАП имеют уже 45-летнюю историю. важным аспектом развития вычислительной техники было соз- дание бортовых вычислительных машин. Управление подвижны- ми объектами в изменяющейся среде является сложной задачей, решение которой требует обработки большого количества информа- ции с высоким быстродействием. Первые бортовые машины были созданы в авиации, потом появились бортовые вычислительные си- стемы морских судов, в настоящее время создаются бортовые вы- числительные системы автомобилей и роботов. в Советском Союзе и в России важные работы в направлении создания авиационных бортовых машин были проведены оКБ «электроавтоматика». С этой организацией и ее сотрудниками наш университет (ЛИАП-ГУАП) на протяжении многих лет тесно свя- зан как совместными научно-исследовательскими работами, так и по линии подготовки кадров – сотрудники оКБ «электроавтомати- ка» преподавали в ЛИАП-ГУАП, студенты проходили практику на этом предприятии, там работают и многие выпускники. в настоящем учебном пособии в прил. 1 отражается 40-летняя история работы оКБ «электроавтоматика» в области создания бор- товых вычислительных систем, авторы этой статьи – известные специалисты Р. А. Шек-Иовсепянц, Ю. И. Сабо и Б. в. Уткин, лау- реаты Государственной премии СССР. 4.5. закон амдала закон Амдала (иногда также закон Амдаля-Уэра) иллюстрирует ограничение роста производительности вС с увеличением количе- ства вычислителей. Предположим, что необходимо решить некоторую вычислитель- ную задачу. Предположим, что ее алгоритм таков, что доля α от 237 общего объема вычислений может быть получена только последо- вательными расчетами, соответственно, доля 1 – α может быть рас- параллелена идеально (т. е. время вычисления будет обратно про- порционально числу задействованных узлов p). Тогда ускорение, которое может быть получено на вС из p процессоров, по сравнению с однопроцессорным решением не будет превышать величины p 1 S 1 p α α = − + во сколько раз быстрее выполнится программа с долей последо- вательных вычислений α при использовании p процессоров. Таблица 4.6 α, % р, шт. 10 100 1000 0 10 100 1000 10 5,263 9,174 9,910 25 3,077 3,883 3,988 40 2,174 2,463 2,496 Из таблицы видно, что только алгоритм, вовсе не содержащий последовательных вычислений ( α = 0), позволяет получить линей- ный прирост производительности с ростом количества вычислите- лей в системе. Если доля последовательных вычислений в алгорит- ме равна 25%, то увеличение числа процессоров до 10 дает ускоре- ние в 3,077 раза (эффективность 30,77%), а увеличение числа про- цессоров до 1000 – в 3,988 раза (эффективность 0,4%). отсюда же очевидно, что при доле последовательных вычисле- ний α общий прирост производительности не может превысить 1 / α. Так, если половина кода – последовательная, то общий прирост никогда не превысит двух. закон Амдала показывает, что прирост эффективности вычис- лений зависит от алгоритма задачи и ограничен сверху для любой задачи с 0. α ≠ Не для всякой задачи имеет смысл наращивание числа процессоров в вС. Более того, если учесть время, необходимое для передачи дан- ных между узлами вС, то зависимость времени вычислений от чис- ла узлов будет иметь максимум. это накладывает ограничение на масштабируемость вС, т. е. означает, что с определенного момента 238 добавление новых узлов в систему будет увеличивать время расчета задачи. Рекурсивная структура – это по сути структура с автоматическим распараллеливанием в зависимости от структуры задачи. Если n – количество процессоров, m – количество задач(задачу можно трак- товать как ограничение), то s – количество произвольных коэффи- циентов, позволяющих подстраиваться в рамках решаемых задач, которое характеризует адаптационные возможности кластеров. 4.6. Мир как модель внутри сверхмашины Картина мира в каждую из эпох формируется на основе синтеза всех достижений во всех сферах человеческой деятельности. в эпо- ху расцвета механики сформировался механицизм, в эпоху разви- тия компьютерной техники естественно ожидать формирования компьютеризма. Так называемый реальный мир – это один из ми- ров виртуальных. Антропный принцип реализуется через лингви- стику и операцию поляризации. При описании вселенной напрашиваются биологические ана- логии и самоорганизация с внешним и внутренним управлением. Неклассические науки привнесли в картину мира наблюдателя, постнеклассические – управителя. для всех пользователей компьютера очевидно, что в компьютере могут одновременно сосуществовать несколько моделей, несколь- ко баз данных, несколько отдельных вычислительных процессов. эти отдельные вычислительные структуры могут быть сильно за- щищены от несанкционированного доступа, но усилиями хакеров могут быть и взломаны. Поэтому логично предположить, что наш мир – это модель внутри сверхмашины, внутри сверхмашины мо- гут находиться и другие миры, которые отделены друг от друга. Но иногда эта изоляция нарушается и тогда в нашем мире происходят различные необычные явления. Существует несколько гипотез относительно устройства нашего мира. одна из них – наш мир конечен и все сценарии его развития записаны в памяти сверхкомпьютера вселенной. Тогда для того чтобы предсказать будущее событие, нужно получить доступ к этой памяти, и некоторым – пророкам – это удается. в связи с изложенным хотелось рассмотреть проблемы развития вычислительной техники. вычислительные машины предназна- 239 чены для решения задач. общая схема решения задач имеет вид Ячел – >Яос – >Япр – >Ямаш –>Ярез. К сожалению, для большинства задач имеется только форму- лировка на естественном языке, большинство задач плохо фор- мализованы. Поэтому актуальным является переход от описания на естественном языке на язык основных соотношений, лингво- комбинаторное моделирование является одним из способов такой формализации, чему была посвящена гл. 2. в результате такой формализации порождаются рекурсивные структуры со струк- турированной неопределенностью. Таким образом, рекурсивная структура машин и сетей должна включать три составляющие: яв- ления, смыслы и структурированную неопределенность, – которые наличествуют в любой задаче. в свое время Альберт эйнштейн сказал: «Человек – это часть целого, которое мы называем вселенной, часть, ограниченная во времени и пространстве. он ощущает себя, свои мысли и чувства как нечто отдельное от всего остального мира, что является своего рода оптическим обманом. эта иллюзия стала темницей для нас, ограничивающей нас миром собственных желаний и привязанно- стью к узкому кругу близких нам людей. Наша задача – освобо- диться из этой тюрьмы, расширив сферу своего участия до всякого живого существа, до целого мира, во всем его великолепии. Никто не может выполнить такую задачу до конца, но уже сами попытки достичь эту цель являются частью освобождения и основанием для внутренней уверенности» [76, с. 28]. Каждая система может иметь свою компьютерную модель. На- пример, при проектировании здания необходимо иметь трехмер- ную интерактивную модель здания и всех его помещений, после строительства здания эта модель может быть использована для оперативного управления зданием, особенно в экстремальных си- туациях (пожар, нападение и др.). Аналогично при проектиро- вании корабля необходимо иметь сначала цифровую модель ко- рабля со всеми помещениями и системами, испытать эту модель в различных условиях на море и только потом строить корабль. На построенном корабле модель корабля может быть использова- на для оперативного управления в различных ситуациях, напри- мер в случае пробоины в том или ином месте. Что должен делать экипаж, определяется должностными инструкциями, но на моде- ли можно проиграть самые различные варианты и выбрать наи- лучший. 240 При лечении человека можно построить модель человеческо- го организма и сначала промоделировать результаты возможных врачебных действий, а потом уж лечить либо хирургически, либо медикаментозно. Модель организма конкретного человека должна сопровождать его всю жизнь, что безусловно улучшит уровень ме- дицинского обслуживания человека. Но люди смертны, куда долж- на деваться модель человеческого организма, на создание которой было затрачено так много усилий и ресурсов? Мы сейчас говорим об искусственной компьютерной модели человека, но, может быть, у каждого человека уже есть такая естественная модель? эта модель может передаваться с помощью радиоимпульса. По современным представлениям, наш мозг состоит из трех частей, во-первых, это его как бы аппаратное обеспечение (Brain), во-вторых, это его как бы внутреннее По (Mind, Intellect), в-третьих, это его как бы внешнее По (Consciousness), – мы осознаем только то, что проис- ходит на внешнем уровне. Можно высказать гипотезу, что на первом уровне происходит оперирование структурированной неопределенно- стью, на втором уровне – смыслами, а на третьем уровне – словами. в настоящее время мировая наука интенсивно работает над раз- гадкой человеческого сознания [73–78]. Люди в основном пользуются моделями XIX в., когда господ- ствовала механика, а самой распространенной машиной были ме- ханические часы с пружинами, колесиками и маятниками. в наше время самая распространенная машина – это компьютер. Различные аспекты эволюции вычислительной техники были рас- смотрены выше. Компьютер – это не только машина для вычисле- ний и обработки информации, это еще и модель мира. Понимание мировоззренческого значения компьютера еще только начинается. Современный компьютер – это прежде всего экран, через который люди получают наибольшее количество информации. экраны со- вершенствуются, и сейчас люди уже получают через них трехмер- ную информацию, наблюдают движение с высокой степенью раз- решения в различных частотах спектра, строятся гигантские экра- ны, которые окружают человека со всех сторон. И естественно воз- никает вопрос, а, может быть, весь окружающий людей мир – это гигантский многомерный экран? Каким суперкомпьютером этот экран управляется? возникает следующая картина мира – люди со всеми своими инструментами – телескопами, микроскопами, уско- рителями и пр. – окружены гигантским многомерным экраном, и всеми инструментами изучают не более чем свойства этого экрана, 241 который управляется внешним суперкомпьютером. это и есть ком- пьютеризм. Как доказать или опровергнуть это предположение? в свое время Тьюринг придумал тест, как распознать, с кем человек беседует через компьютер – с другим человеком или ком- пьютером. в наше время необходимо придумать другой тест, чтобы распознать, что нас окружает – гигантский многомерный экран, управляемый внешним суперкомпьютером, или нас окружает то, что мы привыкли называть реальным миром. в настоящее время астрофизики открыли так называемую тем- ную энергию и темную материю, которые по количеству составля- ют примерно 95% от массы и энергии вселенной, и результаты со- временной науки базируются на изучении лишь 5% массы и энер- гии вселенной. этот факт и различные факты из других областей знания заставляют сомневаться в полученных результатах. Компьютеризм может рассматриваться как альтернатива сло- жившейся картине мира и нуждается в серьезных многоплановых исследованиях. контрольные вопросы 1. Каковы основные этапы эволюции элементной базы вычислительной техники? 2. Что такое нейрокомпьютинг? 3. Чем отличается квантовый компьютер от эвМ? 4. закон Мура. 5. Каковы основные этапы эволюции уровня знаний эвМ? 6. Каковы основные этапы эволюции интерфейса общения человека с эвМ? 7. Чем отличается естественный язык от искусственных алгоритмиче- ских языков? 8. Каковы основные этапы эволюции устройств ввода-вывода? 9. Каковы перспективы систем речевого общения человека с эвМ? 10. Каковы основные этапы эволюции операционной среды? 11. Каковы основные этапы эволюции систем коммуникации? 12. Чем отличается письменность от устной речи? 13. Что такое кластер? 14. Параллельные машины. 15. Смысл закона Амдала. 16. Каковы характерные черты фон-неймановских машин? 17. особенности рекурсивных машин. 18. Как поставить решающий эксперимент по проверке гипотезы о том, является ли вселенная моделью внутри большого суперкомпьютера? |